Высокоэффективные физико-химические методы формообразования поверхностей деталей в машиностроении

 
 
 
 
 
 
 
Е. М. Желтобрюхов  
 
 
 
 
 
 
 
 
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ 
МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ 
ДЕТАЛЕЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024
1 

 
УДК 621.9.02 
ББК 34.63 
Ж52 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор, академик НАН КР (Институт машиноведения  
и автоматики) М. С. Джуматаев; 
д. т. н., технический директор ООО «СУЭК-Хакасия» В. А. Азев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Желтобрюхов, Е. М. 
Ж52   Высокоэффективные физико-химические методы формообразования поверхностей деталей в машиностроении : учебное 
пособие / Е. М. Желтобрюхов. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 140 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1909-3 
 
Рассмотрены наиболее широко применяемые в машиностроении 
методы физико-химической обработки материалов, обеспечивающие 
расширение технологических возможностей существующих методов 
механической обработки. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». 
 
УДК 621.9.02 
ББК 34.63 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1909-3 
© Желтобрюхов Е. М., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 5 
Глава 1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ  
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ 
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ .................................................................. 7 
Глава 2. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ 
.............. 11 
2.1. Основные закономерности электрической эрозии ......................... 12 
2.2. Генераторы импульсов 
...................................................................... 14 
2.3. Основные схемы электроэрозионной обработки ............................ 16 
2.4. Технологические показатели электроэрозионной обработки 
........ 19 
2.5. Электроэрозионные станки 
............................................................... 24 
2.6. Электроискровое легирование 
.......................................................... 31 
Глава 3. ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ ОБРАБОТКА ................................ 35 
Глава 4. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ................................................. 38 
4.1. Получение плазмы для технологических целей ............................. 38 
4.2. Применение плазменной обработки ................................................ 39 
4.3. Плазменно-механическая обработка 
................................................ 41 
4.4. Оборудование, особенности и технологические показатели  
плазменно-механической обработки ...................................................... 45 
4.5. Применение плазменно-механической обработки ......................... 48 
Глава 5. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА 
............................... 50 
5.1. Основы электронно-лучевой обработки .......................................... 50 
5.2. Применение электронно-лучевой обработки .................................. 53 
Глава 6. ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА 
......................................................... 58 
6.1. Источники лазерного излучения ...................................................... 58 
6.2. Применение лазерной обработки ..................................................... 61 
Глава 7. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РАЗМЕРНОЙ  
ОБРАБОТКИ 
............................................................................................. 67 
7.1. Основные закономерности анодного растворения металлов ........ 67 
7.2. Классификация электрохимических методов обработки 
............... 74 
7.3. Электрохимическая (анодно-гидравлическая) обработка  
фасонных поверхностей 
........................................................................... 76 
7.4. Анодно-абразивное шлифование ..................................................... 80 
7.5. Анодно-механическое полирование ................................................ 84 
7.6. Оборудование для электрохимической обработки 
......................... 85 
Глава 8. ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ................................................. 88 
8.1. Растворители ...................................................................................... 90 
8.2. Применение химической обработки ................................................ 91 
Глава 9. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА 
......................................... 93 
9.1. Основные представления об ультразвуке 
........................................ 93 
3 

 
9.2. Ультразвуковая размерная обработка 
.............................................. 98 
9.3. Ультразвуковая сварка .................................................................... 105 
9.4. Ультразвуковая пайка...................................................................... 107 
9.5. Ультразвуковая очистка .................................................................. 108 
Глава 10. МАГНИТНО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА ....................... 112 
10.1. Схемы процессов магнитно-абразивной обработки ................... 112 
10.2. Применение постоянных магнитов для МАО 
............................. 118 
10.3. МАО режущих инструментов ...................................................... 119 
10.4. Причины повышения стойкости режущих инструментов ......... 124 
10.5. Применяемые магнитно-абразивные порошки  
и смазочно-охлаждающие жидкости .................................................... 125 
Глава 11. ВОДО- И АБРАЗИВНО-СТРУЙНАЯ ОБРАБОТКА 
.......... 127 
11.1. Сущность водоструйной обработки 
............................................. 127 
11.2. Применение водоструйной обработки 
......................................... 129 
11.3. Абразивная водоструйная обработка 
........................................... 130 
11.4. Абразивно-струйная обработка .................................................... 131 
11.5. Применение абразивно-струйной обработки .............................. 131 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
....................................................................................... 134 
ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................ 135 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Для настоящего и ближайшего прошлого времени характерен 
интенсивный процесс развития энергетического, общего, специального и химического машиностроения, металлургической, приборостроительной, электротехнической и инструментальной промышленности. Развитие этих отраслей вызвало резкое увеличение использования материалов со специальными эксплуатационными свойствами: 
жаропрочных, магнитных, нержавеющих, антикоррозионных и других 
высоколегированных сталей и сплавов, инструментальных твердых 
сплавов, полупроводниковых материалов, алмазов, рубинов, кварца, 
ферритов и многих других материалов, обработка которых обычными 
механическими методами затруднена или невозможна. Во много раз 
увеличилась потребность в штампах, литейных формах, пресс-формах 
и подобных им изделиях со сложной конфигурацией, весьма трудоемких в производстве и требующих высококвалифицированного ручного 
труда. В современных конструкциях машин, приборов и аппаратов для 
авиационной, ракетной, атомной и электронной техники, газотурбостроения требуется изготовить детали, притом нередко с высокой 
точностью, имеющие криволинейные поверхности сложной формы, 
отверстия, щели и фасонные прорези сверхмалых размеров, соединительные каналы в труднодоступных местах и т. п. В некоторых случаях необходимо изготовление деталей и изделий из малопластичных, 
трудно деформируемых металлов и сплавов, которые не могут быть 
изготовлены с помощью существующего металлообрабатывающего 
оборудования, так как его применение ограничивается несоответствием жесткости деталей и инструмента требуемым усилиям резания. 
Во всех указанных случаях, и в особенности при их сочетании, 
эффективными оказываются методы формообразования, использующие различные физико-химические процессы энергетического воздействия на обрабатываемый материал, отличные от процесса традиционного механического резания. Они получили общее название электрофизических и электрохимических методов размерной обработки материалов.  
Накопленный опыт промышленного применения этих методов 
показал, что в ряде случаев они обладают более широкими технологическими возможностями, а нередко являются единственно возможными методами, позволяющими решать сложнейшие технологические 
задачи, удовлетворяя при этом возросшие требования производства к 
обеспечению высокого качества и конкурентоспособности выпускае5 

 
мой продукции. Дальнейшее развитие в направлении компьютеризации технологического оборудования и управления процессом обработки, повышения плотности энергии в рабочей зоне и разработки 
комбинированных методов, сочетающих высокую производительность, точность и качество обработки, обеспечит расширение областей их использования и высокую экономическую эффективность применения. Физико-химические методы обработки следует рассматривать как одно из наиболее перспективных направлений развития технологии в обозримом будущем, которое окажет сильное влияние на 
ряд отраслей промышленности, открывая перед конструкторами новые возможности в создании надежных и долговечных машин и аппаратов. В связи с этим очевидна необходимость расширенного и углубленного изучения технологических возможностей электрофизических 
и электрохимических методов обработки материалов для студентов, 
обучающихся по направлению подготовки «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» (и близких 
к данному направлению профилей подготовки). 
. 
 
6 

 
Глава 1 
 
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ 
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ  
И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ  
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 
 
К электрофизическим и электрохимическим относят методы изменения формы, размеров, шероховатости и свойств обрабатываемых 
поверхностей заготовок, происходящие под воздействием электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, электронного или 
оптического излучения, плазменной струи, а также высокоэнергетических импульсов механической или электромагнитной природы. Отличительной особенностью этих методов, составляющих их специфику 
и сущность, является использование электрической энергии непосредственно для технологических целей без промежуточного преобразования её в другие виды энергии, причем это использование осуществляется непосредственно в рабочей зоне через химические, тепловые и 
механические воздействия. К этим методам относят также и комбинированные, представляющие собой различные сочетания (совмещения) 
в одном процессе нескольких из указанных способов воздействия 
между собой или с традиционными методами обработки резанием или 
давлением.  
Электрофизикохимические и комбинированные методы обработки характеризуются приведенными ниже основными технологическими особенностями, отличающими их от традиционных технологий, 
которые основаны на преимущественно силовом (контактном) воздействии инструмента на заготовку: 
1. Осуществлением обработки токопроводящих и нетокопроводящих материалов практически с любыми физико-механическими 
свойствами без приложения значительных механических усилий и без 
непосредственного механического контакта обрабатывающей поверхности инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки. 
2. Большими технологическими возможностями изменения 
формы, размеров, шероховатости и свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, охватывающих практически все операции машино- 
и приборостроения. 
3. Получением сложных по форме поверхностей заготовок при 
сравнительно простой кинематике процессов. 
7 

 
4. Значительно меньшей зависимостью (а зачастую и полной независимостью) основных технологических показателей процессов от 
физико-механических свойств обрабатываемого материала, сравнительно простым изменением этих показателей, при котором не требуется, как правило, замены применяемого оборудования, оснастки и инструмента. 
5. Минимальным влиянием технологических особенностей процессов и операций на механические свойства и эксплуатационные характеристики деталей после обработки электрофизикохимическими и 
комбинированными методами. 
6. Относительной простотой, низкой себестоимостью и высокой 
стойкостью применяемого инструмента, а иногда и отсутствием его 
износа. В некоторых процессах электрофизической обработки инструмент (в классическом его понимании) вообще отсутствует, а его функции выполняет сформированный соответствующим образом поток 
электронов, фотонов и т. д. 
7. Большими возможностями интенсификации многих технологических процессов механической обработки резанием и давлением, 
нанесения покрытий, сварки, пайки и других, выполняемых традиционными методами с большой трудоемкостью и низким качеством. 
8. Возможностями механизации и автоматизации основных технологических и вспомогательных переходов, вплоть до применения 
робототехнических средств и комплексной автоматизации операций и 
процессов. 
9. Возможностями сокращения, а во многих случаях и исключения расхода остродефицитных и дорогостоящих инструментальных 
сталей и сплавов, а также потерь обрабатываемых материалов. 
10. Сравнительно простой утилизацией отходов обработки 
(шлама). 
Наряду с перечисленными положительными особенностями 
электрофизикохимических и комбинированных методов обработки им 
присущи и некоторые недостатки или ограничения, которые обусловлены их физической сущностью и спецификой. Некоторые из этих недостатков имеют временный характер и могут быть, очевидно, устранены в дальнейшем при совершенствовании этих методов. Основные 
недостатки указанных методов следующие: 
1) повышенная энергоемкость процессов при равнозначных с 
механической обработкой производительности и качественных показателях; 
 
8 

 
2) относительная громоздкость и сложность применяемого технологического оборудования и оснастки, а также необходимость применения (во многих случаях) специальных источников питания электрическим током, устройств для подачи, сбора, хранения и очистки 
рабочей жидкости; 
3) необходимость размещения технологического оборудования в отдельных помещениях, связанная зачастую с учетом повышенной пожарной опасности и выполнением специфических требований 
безопасности труда.  
В связи с перечисленными особенностями можно определить 
условия, при которых целесообразно применение электрофизических 
и электрохимических методов обработки:  
– когда обрабатываемый материал плохо поддается механической обработке, например, в случае жаропрочных, нержавеющих, магнитных, титановых сталей и сплавов, твердых сплавов, полупроводниковых материалов, ферритов, керамики и минералов; 
– при операциях, которые механическим путем не выполнимы 
либо представляют значительные технические трудности, например 
при изготовлении криволинейных каналов, соединительных каналов и 
отверстий в труднодоступных местах пневмо- и гидроаппаратуры, при 
изготовлении цельных роторов с лопатками; 
– для изготовления деталей, не допускающих силового воздействия инструмента на деталь, например тонкостенных деталей приборов, деталей из хрупких материалов, а также для клеймения и маркирования инструмента; 
– для механизации и автоматизации таких ручных слесарных 
операций, как удаление заусенцев, изготовление шаблонов, изготовление вырубных штампов; 
– с целью значительного сокращения числа переходов и переналадок по сравнению с механической обработкой при изготовлении 
деталей сложной формы; 
– для снижения затрат на инструменты, с помощью которых получают отверстия малого диаметра, клеймят и маркируют детали высокой твердости, изготавливают сложные поверхности. 
В зависимости от преимущественного вида энергетического 
воздействия на обрабатываемый материал электрофизические и электрохимические методы обработки можно разделить на три большие 
группы. 
Первая, наиболее многочисленная группа охватывает методы, 
основанные преимущественно на тепловом воздействии на обрабатываемый материал. 
 
9 

 
В эту группу входят электроэрозионная, электроконтактная, 
плазменная, электронно-лучевая и лазерная обработки. 
Вторая группа объединяет методы, основанные преимущественно на химическом или электрохимическом воздействии на обрабатываемый материал. В нее входят многочисленные разновидности 
электрохимической обработки, основанные на анодном растворении 
материала, и методы химического фрезерования, основанные на растворении материала кислотами и щелочами. 
Третья группа включает методы импульсного воздействия на 
обрабатываемый материал. Это ультразвуковая обработка, электрогидравлическое и электромагнитное формообразование, обработка 
струей воды или абразива. 
В отдельную группу иногда выделяют комбинированные методы, представляющие собой различные сочетания (совмещения) в одном процессе нескольких из указанных способов воздействия между 
собой или с традиционными методами обработки резанием или давлением.  
Большинство процессов и операций электрофизической, электрохимической и комбинированной обработки сопровождаются удалением с обрабатываемых поверхностей заготовок припуска. Такие 
процессы и операции относят к размерной обработке (размерное формообразование). Некоторые процессы электрофизикохимической обработки протекают без снятия припуска с обрабатываемых поверхностей; эти процессы относят к безразмерной (отделочной) обработке. 
Приведенная классификация методов обработки, относящихся 
к электрофизическим и электрохимическим, не является исчерпывающей и единственно возможной. В пособии будут рассмотрены не все 
перечисленные методы, а только те, которые нашли наиболее широкое 
применение в промышленности. 
 
Вопросы для самоконтроля 
 
1. Как происходит удаление металла при тепловом воздействии? Какие методы обработки используют этот вид воздействия? 
2. Как происходит удаление металла при химическом воздействии? Какие методы обработки используют этот вид воздействия? 
3. Как происходит удаление металла при механическом воздействии? Какие методы обработки используют этот вид воздействия? 
 
10